電動汽車蓄電池組電池管理及其狀態(tài)檢測

摘要：電動汽車蓄電池組的工作狀態(tài)主要指各電池在工作時的端電壓、工作電流和溫度5個參數(shù)的變化情況。對電池工作狀態(tài)的檢測通常有集中式檢測法和分布式檢測法，采用“部分”集中、 “整體”分布的思路，將電池分成若干分組，每個分組集中檢測，各分組分布檢測，同時，采用“橋電容”技術解決了蓄電池組單體端電壓檢測中存在的參考點選擇和被測電池與檢測設備隔離的問題，形成了一種具有完全隔離功能的集中／分布式檢測法。經過試驗，該檢測法電壓、電流和溫度采集功能正常，數(shù)據(jù)準確、可靠。
關鍵詞：電動汽車；汽車工程；電池；集中／分布檢測

0 引言
蓄電池技術是下一代汽車――電動汽車的核心技術之一。蓄電池是復雜的電化學系統(tǒng)，國內外對電池管理技術都進行了大量的研究，取得了許多成果。一般認為電池管理系統(tǒng)主要有如下功能：電池狀態(tài)參數(shù)采集(包括溫度、電壓、電流等)；電池荷電狀態(tài)(State of charge，SOC)的準確估計；不健康電池的早期診斷；對電池組安全運行全面監(jiān)控，如防止電池的過充電和過放電等等。
由于電動汽車蓄電池組通常是由幾十個(上百個)單體電池組成，所以，每一個單體電池的工作狀態(tài)正常與否不僅反映電池組性能的好壞，而且影響電池組的容量及剩余能量。實踐表明，在電動汽車運行過程中，如不及時檢測，找出老化電池給予調整，電池組的容量將變小，壽命將縮短，影響整個電池組的高效安全運行。
電池工作狀態(tài)的檢測由電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)完成，而電池管理系統(tǒng)的其他功能(包括剩余能量的計算)都是建立在電池工作狀態(tài)檢測的基礎之上的，研究蓄電池組工作狀態(tài)檢測方法對電動汽車的發(fā)展具有非常重要的意義。

l BMS的基本結構
湖南大學研發(fā)的電動汽車(EV一3號)采用的BMS結構示意圖見圖1。該BMS由電池監(jiān)測系統(tǒng)、電池核電狀態(tài)、(SOC)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)3部分構成。傳感器、電池監(jiān)控系統(tǒng)和SOC系統(tǒng)構成底層系統(tǒng)，數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)為上層系統(tǒng)，系統(tǒng)之間通過內部CAN總線通信。

2 蓄電池組工作狀態(tài)檢測方法
電動汽車蓄電池組一般都采用串聯(lián)方式工作，工作電流與單體電池是一樣的，檢測比較容易，而端電壓的檢測則比較麻煩。若只檢測電池組的端電壓，方法很簡單，只需在電池組的兩端接上檢測電路即可，但這樣做是不行的，因為雖然可以得到總的工作電壓，但無法判斷具體單體電池的端電壓，而只要有一塊電池出問題就會影響整組電池的正常工作和性能；另外，對檢測電路精度要求高。一個單體電池端電壓的正常工作范圍比較小，比如12V鉛酸電池的終止電壓在10V左右，電壓變化范圍在2～3V之間，檢測電路只要10％的精度即可檢測出1V的變化量。若24塊12V鉛酸電池串聯(lián)，額定電壓是288V，放電終止電壓是240V，電壓的正常變化范圍是48V，如果一塊電池的端電壓降至9V，那么反映在總電壓上為285V，只變化了大約1％?？梢姡瑱z測電路的精度至少要達到1％以上才能檢測出幾伏電壓的變化。而整組電池檢測很難發(fā)現(xiàn)單體電池的緩慢變化，包括單體電池本身的老化和因單體電池一致性問題而帶來的積累效應。整組檢測無法檢測電池及電池組實際容量，無法篩選其中已老化的電池。
實用的方法是檢測每一個單體電池。但對于串聯(lián)形成的電池組，要自動檢測每個單體電池的端電壓所遇到的主要問題是測量參考點的選擇以及檢測電路與被檢測電池組的電隔離問題。電位參考點的選擇不僅如上所述影響測量精度，還對測量電路的測量范圍提出了很高的要求。而被檢測電池組與檢測電路的隔離不僅涉及到系統(tǒng)的安全還影響檢測電路的復雜度和可實現(xiàn)性。目前采用的主要是分布檢測和集中檢測兩種方法。
1)分布檢測法
所謂分布式隔離檢測技術，就是將單體電池電壓及溫度的檢測模塊化、本地化，然后再通過一定的通訊手段將這些檢測模塊檢測的數(shù)據(jù)集中起來，最后統(tǒng)一處理。這樣做的目的就是要解決集中檢測方法所存在的種種問題。原理圖見圖2。

其主要優(yōu)點是：
(1)連線簡單，省去了多路轉換開關，性能可靠。
(2)測量精度較高，比較符合汽車電器CAN總線化的發(fā)展趨勢。
(3)分布式模塊解決了參考點問題，利用總線通信方式(采用光耦器件)解決了主控機與電池組的隔離問題。
但應用分布式檢測技術還必須解決以下幾個問題：
(1)由于檢測模塊直接從被測電池上持續(xù)取電，不利于節(jié)能和安全。
(2)當電池較多時，模塊數(shù)量也多，使得成本和復雜度提高，并且要求通信總線有較高的帶載能力。
從功能上看，檢測模塊主要由檢測子模塊和通信子模塊兩大部分組成。檢測子模塊要完成數(shù)據(jù)的采集和調理任務，而通信子模塊則要溝通與主控電路的信息交流，接收主控電路的指令，上傳由檢測子模塊提供的檢測數(shù)據(jù)。
因為汽車電器的發(fā)展方向是采用CAN總線技術，所以，通信子模塊與主控電路之間應該采用CAN總線連接。